ABSTRACT Following an ischemic insult to the brain, there is an acute loss of GABAergic inhibitory synapses and an increase in excitatory/ inhibitory (E/I) imbalance that drives neuronal hyperexcitability. It is unknown whether this E/I imbalance persists at delayed timepoints and contributes to chronic impairments in memory and long-term potentiation (LTP) in the hippocampus following ischemic brain injury. Here, we reveal a shift to reduced E/I ratio in hippocampal CA1 neurons via a persistent increase in postsynaptic GABA A receptor mediated inhibitory responses and clustering days after a global ischemic insult. This enhancement of postsynaptic inhibitory function and clustering required activation of the Ca 2+ -permeable TRPM2 ion channel and the Ca 2+ -dependent kinase, CaMKII. Thus, we propose a mechanism in which acute downregulation of GABA A receptors is followed by a strengthening of inhibitory synapses at delayed periods after ischemia. Targeting this mechanism has therapeutic potential to recover hippocampal plasticity and cognitive function post-ischemia. GRAPHICAL ABSTRACT

ABSTRACT The dorsal subiculum (dSub) is one of the key structures responsible for the formation of hippocampal memory traces but the contribution of individual ionic currents to its cognitive function is not well studied. Although we recently reported that low-voltage-activated T-type calcium channels (T-channels) are crucial for the burst firing pattern regulation in the dSub pyramidal neurons, their potential role in learning and memory remains unclear. Here we used in vivo local field potential recordings and miniscope calcium imaging in freely behaving mice coupled with pharmacological and genetic tools to address this gap in knowledge. We show that the Ca V 3.1 isoform of T-channels is critically involved in controlling neuronal activity in the dSub in vivo . Altering burst firing pattern by inhibiting T-channel activity markedly affects calcium dynamics, synaptic plasticity, neuronal oscillations and phase-amplitude coupling in the dSub, thereby disrupting spatial learning. These results provide a crucial causative link between the Ca V 3.1 channels, burst firing activity of dSub neurons and memory processing, thus further supporting the notion that changes in neuronal excitability regulate memory trace formation. We posit that subicular Ca V 3.1 T-channels could be a promising novel drug target for cognitive disorders.

The Ca 2+ /calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII) is a central regulator of learning and memory, which poses a problem for targeting it therapeutically. Indeed, our study supports prior conclusions that long-term interference with CaMKII signaling can erase pre-formed memories. By contrast, short-term pharmacological CaMKII inhibition with tatCN19o interfered with learning in mice only mildly and transiently (for less than 1 h) and did not at all reverse pre-formed memories. This was at â‰¥500fold of the dose that protected hippocampal neurons from cell death after a highly clinically relevant pig model of transient global cerebral ischemia: ventricular fibrillation followed by advanced life support and electrical defibrillation to induce return of spontaneous circulation. Of additional importance for therapeutic development, cardiovascular safety studies in mice and pig did not indicate any concerns with acute tatCN19o injection. Taken together, even though prolonged interference with CaMKII signaling can erase memory, acute short-term CaMKII inhibition with tatCN19o did not cause such retrograde amnesia that would pose a contraindication for therapy.